某型艦炮液壓系統(tǒng)可靠性分析及技術(shù)改進(jìn)?

劉志偉 李法忠 方艷紅

（1.海軍士官學(xué)校 蚌埠 233012）（2.北部戰(zhàn)區(qū)海軍參謀部軍訓(xùn)處 青島 266231）

關(guān)鍵字 艦炮液壓系統(tǒng)；可靠性；故障樹；蒙特卡洛仿真

1 引言

某型艦炮液壓系統(tǒng)為整座艦炮提供液壓動力并完成全炮除方向與高低隨動之外的全部動作和功能，實現(xiàn)炮彈從儲彈位直到發(fā)射的全過程，并且具有引信測合、安全保護(hù)等多項功能。液壓系統(tǒng)的可靠性程度是影響該炮作戰(zhàn)使用效能的關(guān)鍵因素。

目前可靠性分析領(lǐng)域存在多種分析方法，但均不同程度的存在一定的缺陷。在進(jìn)行裝備可靠性分析時需根據(jù)裝備實際情況合理選擇分析方法進(jìn)行論證。由于該型艦炮液壓系統(tǒng)包含許多基本部件，且各部件的壽命分布并不完全服從指數(shù)分布，這就對該型艦炮液壓系統(tǒng)的可靠性分析造成了很大的困難。為有效解決基本部件壽命服從多種分布的系統(tǒng)可靠性現(xiàn)實情況，更加精確迅速地分析可靠性問題，本文采用基于經(jīng)驗函數(shù)修正的蒙特卡洛仿真抽樣算法對該型艦炮液壓系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析。

2 某型艦炮液壓系統(tǒng)可靠性故障樹分析

某型艦炮的液壓系統(tǒng)作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，用于為整個艦炮提供液壓動力并完成全炮除方向與高低隨動之外的全部動作與功能，實現(xiàn)炮彈傳輸直至發(fā)射的全過程，并且具有引信測合、安全保護(hù)等項功能。

該炮液壓系統(tǒng)可靠性取決于各子系統(tǒng)的可靠性及各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，而各子系統(tǒng)的可靠性又由組成它們的所有零部件的可靠性所決定，故以某型艦炮液壓系統(tǒng)的功能及液壓控制范圍為子系統(tǒng)劃分依據(jù)基礎(chǔ)，劃分出五個分系統(tǒng)：分系統(tǒng)一，為全炮提供液壓動力；分系統(tǒng)二，驅(qū)動儲彈部分及揚(yáng)彈系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，向炮塔輸送炮彈；分系統(tǒng)三，驅(qū)動供彈系統(tǒng)有選擇性的將炮彈運(yùn)送至發(fā)射系統(tǒng)；分系統(tǒng)四，驅(qū)動發(fā)射系統(tǒng)和引信測合機(jī)，完成炮彈發(fā)射和引信轉(zhuǎn)角設(shè)定；分系統(tǒng)五，向炮架供油并完成將來自于液壓中心的壓力油經(jīng)過濾、減壓、穩(wěn)壓后向其他分系統(tǒng)供油。

經(jīng)統(tǒng)計，該型艦炮液壓系統(tǒng)共包括5個液壓馬達(dá)（電液伺服馬達(dá)3個、步進(jìn)控制液壓馬達(dá)1個、齒輪液壓馬達(dá)1個），31個液壓油缸、液壓鎖、58個液壓控制閥，2個液壓泵，27個液壓輔件，組成了液壓系統(tǒng)最小割集庫。綜合上述分析建立某型艦炮液壓系統(tǒng)故障樹模型如圖1所示。

圖1 某型艦炮液壓系統(tǒng)故障樹

故障樹建模過程作如下假設(shè)：

1）各最小割集故障和失效率相互獨(dú)立；

2）各最小割集的狀態(tài)只有兩種：正常、故障；

3）人為因素或外界干擾對系統(tǒng)可靠性的影響忽略不計。

3 某型艦炮液壓系統(tǒng)可靠性蒙特卡洛仿真分析

某型艦炮液壓系統(tǒng)共5個分系統(tǒng)，58個最小割集，用P表示液壓系統(tǒng)，Si表示第i個分系統(tǒng)，Sij表示第i個分系統(tǒng)中第j個最小割集。已知每個最小割集的失效分布函數(shù)Fij(t)(t=1，2…n)，用φ(xt)表示液壓系統(tǒng)故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)。Fij(t)(t=1，2…n)和φ(xt)取值為1時，表示失效事件發(fā)生；取值為0時，表示失效事件未發(fā)生。

運(yùn)用蒙特卡洛方法，對每個最小割集進(jìn)行抽樣，取得第i個分系統(tǒng)第j個最小割集失效的時間抽樣值為ti=F-1ij(η)。由于只要有一個最小割集失效事件發(fā)生，該炮液壓系統(tǒng)失效事件就會發(fā)生，故以Q代表液壓系統(tǒng)失效事件發(fā)生，有Q=min(T1，T2…T58)，其中Tn表示第n個最小割集發(fā)生失效時間的時間。重復(fù)計算該炮液壓系統(tǒng)失效事件發(fā)生Q的值m次，將Qm的值與給定的標(biāo)準(zhǔn)時間值tm進(jìn)行比較，如果液壓系統(tǒng)失效事件在給定標(biāo)準(zhǔn)時間值tm內(nèi)發(fā)生說明系統(tǒng)失效，累計tm時間內(nèi)失效次數(shù)Nm，則在給定標(biāo)準(zhǔn)時間值tm內(nèi)該炮液壓系統(tǒng)失效的概率為

為了使仿真分析獲取的數(shù)據(jù)信息能夠完整的體現(xiàn)艦炮液壓系統(tǒng)可靠性特性，這里采用一種通過指數(shù)函數(shù)擬合右尾部樣本的方式，擴(kuò)大樣本取值范圍，進(jìn)而增加仿真可信度。

選擇S0ij(0

在基準(zhǔn)樣本之后利用經(jīng)驗修正分布函數(shù)對樣本抽樣過程進(jìn)行修正，并確保修正前后經(jīng)驗分布均值與樣本均值一致，經(jīng)驗修正分布函數(shù)為

經(jīng)迭代計算后得到樣本均值為

系統(tǒng)失效率為

系統(tǒng)的平均壽命為

4 可靠性仿真及技術(shù)改進(jìn)

采用基于經(jīng)驗函數(shù)修正的蒙特卡洛仿真方法，在計算機(jī)上用Matlab語言編寫程序，對該炮液壓系統(tǒng)可靠性進(jìn)行仿真。取抽樣次數(shù)m=100000，時間間隔為200h。仿真流程如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 仿真流程圖

圖3 抽樣仿真結(jié)果

由抽樣結(jié)果可見，在設(shè)定的抽樣次數(shù)內(nèi)仿真結(jié)果趨于穩(wěn)定，滿足精度要求。液壓系統(tǒng)各最小割集可靠性指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)最小割集可靠性指標(biāo)

該炮液壓系統(tǒng)失效率總計為1321.48×10-6次數(shù)/h，平均無故障工作時間MTBF為756.72h，滿足該炮MTBF為400h的可靠性指標(biāo)要求。

針對上述對該炮液壓系統(tǒng)各元器件可靠性研究及數(shù)據(jù)分析，這里提出了幾點提高工作可靠性的措施及技術(shù)改進(jìn)方案：

1）對液壓系統(tǒng)電器元器件進(jìn)行老化篩選，及時更換；

2）因壓力反饋在系統(tǒng)中作用較小，故進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)取消部分壓力傳感器；

3）重新設(shè)計液壓軟管的長度，消除其預(yù)應(yīng)力，以適應(yīng)安裝要求；

4）針對電磁閥切換不可靠的情況，設(shè)計改進(jìn)部分常開電磁閥；

5）針對伺服馬達(dá)時常發(fā)生停車超限、過載等故障，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計采取適量增大伺服閥遮蓋量并完善應(yīng)急制動閥的加工、調(diào)試試驗質(zhì)量控制程序；

6）加強(qiáng)采購產(chǎn)品質(zhì)量控制，選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，加強(qiáng)進(jìn)貨檢驗；

7）加強(qiáng)系統(tǒng)裝配、循環(huán)清洗、調(diào)試試驗過程控制，排除因裝配錯誤、循環(huán)清洗不到位、調(diào)試不當(dāng)?shù)纫鸬脑缙鸸收希?/p>

8）杜絕液壓零件在裝配時的外界污染物的侵入；

9）加強(qiáng)設(shè)計過程控制，提高設(shè)計質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)可靠性。

5 結(jié)語

可靠性分析是目前艦炮武器裝備研究的一項重要內(nèi)容。本文根據(jù)某型艦炮液壓系統(tǒng)的實際功能劃分及基本組成情況分析最小割集庫并構(gòu)建故障樹，運(yùn)用基于經(jīng)驗函數(shù)修正的蒙特卡洛仿真抽樣算法對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析。通過仿真結(jié)果可知液壓系統(tǒng)失效率總計為1321.48×10-6次數(shù)/h，平均無故障工作時間MTBF為756.72h，滿足該炮液壓系統(tǒng)可靠性指標(biāo)要求。作為液壓系統(tǒng)最小割集的液壓缸和液壓輔件失效率偏高，屬于液壓系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)此，文中提出了提高某型艦炮液壓系統(tǒng)工作可靠性的措施及相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)方案。